TMD调制阻尼器在桥梁工程中的应用

王秀艳

（天津城建设计院有限公司，天津市 300122）

0 引 言

历史上曾发生军人列队齐步过桥时的动载作用导致桥梁破坏的事件，当时人们仅认识到这是由于共振引起，直到2000年英国千禧桥在开通当日即发生过度横向振动事件，并且发现其他桥上也有过同样的过度振动现象发生，才引起了前所未有的广泛重视。千禧桥是英国为庆祝进入21世纪而在伦敦泰晤士河上新建的一座人行桥，该桥是一座结构新颖的扁平轻巧的悬索桥，从规划、设计以来备受关注，并于2000年6月开通，然而开放行人当日桥梁即发生过量的横向摇摆，在减少上桥人数仍发生过量横向摇摆的情况下，临时关闭该桥梁。这样一座事先大肆渲染、女王亲自剪彩、耗资达1 800万英镑的新结构桥梁在开通3 d后就不得不关闭的重大新闻立刻传遍了全世界。而后设计师对千禧桥的减振措施进行了研究，通过提高桥梁的阻尼来减少共振响应，以确保结构的动力稳定性。减振工程共用了包括TMD调制阻尼器在内的37个阻尼器。开通后桥梁再没有共振现象产生，行人也没有任何不适应的报告。

1 TMD的减振原理

TMD调制阻尼器的减振原理是在主结构（主系统）上耦合一个弹簧质量阻尼振动系统（附加系统）。当附加振动系统的固有频率处于主系统的原固有频率附近，则可使主系统原固有频率处的共振峰消失，即由原主系统的单峰共振区转变为新系统的双峰共振区，且峰值频率一个上移、一个下移。在理论上存在着最佳的TMD配置参数。TMD附加质量越大，减振效果越好，但往往受结构承载力和成本的限制。TMD调制阻尼器的减振效果已被国内外数百项工程实践所验证，包括建筑高层工程、高耸结构工程、桥梁工程和大跨度结构工程等[1]。本文以工程案例的形式来介绍TMD减振装置在桥梁工程中的应用。

2 TMD在桥梁工程中的应用

2.1 在人行悬索桥中的应用

某人行悬索桥跨径布置为36 m+180 m+36 m，主桥桥面总宽3.3 m，净宽2 m（见图1）。桥梁整体结构非常柔，一阶竖向振动频率小于3 Hz，不满足《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69—1995）规范要求。

图1 某大跨人行悬索桥

为提高该人行悬索桥在人行移动荷载作用下的舒适度，调研国内外相关规范如下：国外规范大多通过规定结构最大竖向加速度限值来确保人行的舒适度。例如，英国规范BSI（1978）规定，人体可承受的竖向加速度限值为0.78 m/s2，超出该数值人会感觉不舒服；ISO 10137：2007规范规定的该加速度限值为0.3～0.6 m/s2；欧洲EN1990规范规定人行桥面任何位置的竖向振动加速度峰值均应小于0.7 m/s2。

本文工程在分析过程中，将一般人群移动荷载作用下的桥面竖向振动和人群移动荷载作用引起的侧桥向振动所产生的桥面最大峰值加速度限值定为0.5 m/s2，将极端密集人群荷载作用引起的桥面竖向振动加速度峰值定为0.78 m/s2。经优化分析，采用6个TMD质量块，每个质量块重0.7 t时，在人行荷载作用下桥梁能够达到最优的减振效果。其中，中跨跨中位置设置2个TMD质量块，距中跨跨中20 m位置各设置2个TMD质量块。

2.2 在梁桥中的应用

某钢结构桥梁跨径布置为45 m+90 m+45 m，为钢箱、钢桁架组合梁桥，桥面上通行机动车，中跨钢桁架结构的下层设置咖啡馆及人非混行车道，桥梁造型美观大方，但结构形式较轻柔（见图2）。由模态分析可知，第一阶竖向振动频率为1.80 Hz，而人行频率在1.3～2.5 Hz，当大量人群在桥上行走时，易引起桥的共振反应，会严重影响到行人以及咖啡厅区域的舒适度。因结构共振引起的加速度振幅过大，超过人体舒适度耐受极限，极易在心理上造成恐慌。

图2 某钢箱、钢桁架组合梁桥

改善桥梁动力特性有两种常用方法：第一种就是增大桥梁的刚度，使结构固有频率不在人群激励的频率范围内；第二种就是提高桥梁的阻尼来减少共振响应。如果采用增大主梁截面或改变结构形式的方法，从经济角度看是不合理的，从美观角度看也是不可行的。因此提高桥梁刚度几乎是不可行的，减振途径只能是提高结构阻尼。调研国内外规范，桥梁下层咖啡厅人行舒适度标准可参照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）表3.7.3的规定，按照人员活动环境的商场及室内连廊楼盖控制竖向振动加速度限值，确定减振后结构峰值加速度限值为0.22 m/s2。

经过优化计算，在桥跨中部位置下部（即咖啡厅下方）布置12个TMD调制阻尼器，其中，弹簧刚度为32 kN/m，每个质量块质量为1 000 kg。计算结果表明，该减振设计方案可有效抑制结构在人行荷载激励和行车激励下的振动，满足咖啡厅使用功能要求。所有工况下，当激励停止，结构振动自由衰减情况下，安装TMD的结构振动衰减速度较快，表明TMD发挥了良好的减振作用。

3 结语

目前传统的TMD产品已广泛应用于桥梁消能减振设计中，对提高行人舒适度起到了至关重要的作用。然而传统的TMD产品也暴露出阻尼构件与弹性元件易损耗、后期调节难、需要较多维护等诸多缺点。电涡流阻尼调谐质量阻尼器（电涡流TMD，是一种新型的TMD减振装置）是一种抗疲劳、长寿命、无须维护的新型减振器，当结构振动时，带动电涡流TMD往复运动，固定在质量块的磁体会一起运动，从而在固定的导体上产生抑制质量块相对运动的电涡流阻尼，通过电涡流阻尼，将振动能量通过导体的电阻热效应消耗掉。随着技术的推广及发展，新型TMD装置在桥梁消能减振方面具有更加广阔的应用前景。